栄養サイクル

栄養循環（または生態学的リサイクル）とは、無機物と有機物が物質生産に戻る動きと交換のことです。エネルギーの流れは一方向で非循環的な経路ですが、ミネラル栄養素の動きは循環的です。ミネラル循環には、炭素循環、硫黄循環、窒素循環、水循環、リン循環、酸素循環などがあり、他のミネラル栄養素とともに生産的な生態学的栄養に継続的にリサイクルされます。

栄養循環は自然のリサイクルシステムです。リサイクルのあらゆる形態には、物質資源を再利用するためのプロセスでエネルギーを使用するフィードバックループがあります。生態系におけるリサイクルは、分解のプロセス中に大幅に制御されます。^{[1]生態系は、}水を含むミネラル栄養素などの天然物質をリサイクルする食物網の生物多様性を活用しています。自然システムにおけるリサイクルは、人間社会の幸福を維持し、貢献する多くの生態系サービスの1つです。 ^{[2] [3] [4]}

生物地球化学循環と栄養循環の用語には、多くの重複があります。ほとんどの教科書では、この 2 つを統合し、同義語として扱っているようです。^[5]しかし、これらの用語は独立して使用されることがよくあります。栄養循環は、生態系が 1 つのユニットとして機能するシステム内循環の概念に直接言及して使用されることが多いです。実用的な観点から、地上の生態系を評価する際に、その上空の空気柱全体と、その下にある地球の深部を考慮することは意味がありません。生態系には明確な境界がない場合が多いですが、実用的なモデルとしては、物質とエネルギーの転送の大部分が発生する機能コミュニティを考慮することが実用的です。^[6]栄養循環は、「入力と出力のシステムを通じて地球のより大きな生物地球化学循環」に参加する生態系で発生します。^{[6] : 425}

生態系は完全なリサイクルが可能です。完全なリサイクルとは、廃棄物の 100% を無期限に再生できることを意味します。この考えは、ハワード T. オダムが「生態系と地質学のシステムによって、すべての化学元素と多くの有機物質が、太陽または他の潜在的エネルギー源が利用できる限り、濃度に関して制限なく、背景の地殻または海洋の濃度から生物系に蓄積できることが徹底的に実証されている」と書いたときにとらえられました。 ^{[8] : 29} 1979 年、ニコラス ジョルジェスク=レーゲンは、完全なリサイクルは不可能であると述べたエントロピーの第 4 法則を提唱しました。ジョルジェスク=レーゲンは生態経済学の科学に多大な知的貢献をしたにもかかわらず、第 4 法則は生態学的リサイクルの観察に沿って否定されました。^{[9] [10]}しかし、一部の著者は、技術的廃棄物の完全なリサイクルは不可能であると述べています。^[11]

生態系は、バイオマスの成長に寄与する栄養素の需要がシステム内の供給を上回る閉ループリサイクルを実行します。成長率と物質交換には地域的および空間的な違いがあり、一部の生態系は栄養素の負債（シンク）を抱えている一方で、他の生態系は余分な供給（ソース）を抱えている場合があります。これらの違いは、気候、地形、地質学的歴史に関連しており、親物質の異なるソースを残しています。^{[6] [12]}食物網の観点から、サイクルまたはループは「同じ種から始まり、同じ種で終わる1つ以上のリンクの有向シーケンス」と定義されます。^{[13] : 185}その一例は、海洋の微生物食物網です。そこでは、「細菌は、従属栄養性の微小鞭毛虫を含む原生動物によって利用され、制御され、次に繊毛虫によって利用されます。この放牧活動は、細菌によって次に使用される物質の排泄を伴い、システムは多かれ少なかれ閉回路で動作します。」^{[14] : 69–70}

生態学的リサイクルの一例は、セルロースの酵素 分解である。「セルロースは地球上で最も豊富な有機化合物の1つであり、植物の細胞壁の一部である主要な多糖類である。セルロース分解酵素は、植物材料の自然で生態学的リサイクルに関与している。」^[17]異なる生態系は、ゴミのリサイクル率が異なる可能性があり、特定の植物種の競争優位性などの要因に複雑なフィードバックを生み出します。生態学的リサイクルの異なる率とパターンは、将来の生態系の進化に影響を与える環境影響の遺産を残します。^[18]

生態学的リサイクルは有機農業では一般的であり、その栄養管理は農業ビジネスの土壌管理スタイルとは根本的に異なります。生態系のリサイクルをより広範囲に採用している有機農場は、より多くの種（生物多様性のレベルの増加）を支え、異なる食物網構造を持っています。^{[20] [21]有機農業の生態系は、}合成肥料 の補給に頼るのではなく、土壌を通じた栄養素のリサイクルのために生物多様性のサービスに依存しています。^{[22] [23]}

生態学的リサイクル農業のモデルは、以下の原則に従います。

• 生物多様性の保護。
• 再生可能エネルギーの利用。
• 植物栄養素のリサイクル^[24]

有機農場の農産物が農場から市場に出荷されると、システムはオープンサイクルとなり、代替の方法で栄養素を補充する必要があるかもしれません。

生物の生態学的行動によって、またはその延長として残される環境フィードバックの永続的な遺産は、ニッチ構築または生態系工学として知られています。多くの種は、サンゴの骨格やビーバーによる湿地の大規模な生息地の変更など、死後も影響を残します。これらの影響のフィードバックと作用を通じて、その構成要素は子孫や異なる選択体制の下で生きる他の種によってリサイクルされ、再利用されます。^{[26] [27]}生態系エンジニアは、その行動を通じて栄養循環の効率率に影響を与えることができます。

例えば、ミミズは土壌環境の性質を受動的かつ機械的に変えます。死んだミミズの体は土壌に受動的にミネラル栄養素を供給します。また、ミミズは這い回りながら（生物撹乱）、土壌の落ち葉から引き抜いた有機物のカビを消化することで、土壌の物理的構造を機械的に変化させます。これらの活動により、土壌のミネラル層に栄養素が運ばれます。ミミズは廃棄物を排出し、未消化物を含むミミズの糞を作り、そこからバクテリアやその他の分解者が栄養素にアクセスします。ミミズはこのプロセスに利用されており、生態系の生産はリサイクルプロセスでフィードバックループを作成するミミズの能力に依存しています。^{[29] [30]}

貝類は生態系エンジニアでもあります。その理由は、1) 水柱から浮遊粒子を濾過する、2)脱窒作用によって沿岸湾から余分な栄養素を除去する、3) 波のエネルギーを吸収し、船の航跡、海面上昇、嵐による浸食を軽減する天然の沿岸緩衝帯として機能する、4) 沿岸経済にとって貴重な魚の育成生息地を提供する、からです。^[31]

菌類は栄養循環に貢献し^[32]、生態系の一部を栄養的に再配置して他の生物のためのニッチを作り出します。 ^[33]このようにして、成長中の枯れ木に生息する菌類はキシロファージの成長と発達を可能にし、キシロファージは枯れ木に影響を与え、木材の分解と林床での栄養循環に貢献します。^[34]

栄養循環は、ミミズの分解作用に関するチャールズ・ダーウィンの著作に歴史的根拠がある。ダーウィンは「土の粒子の継続的な動き」について書いた。 ^{[28] [36] [37]}それより前の1749年には、カール・リンネが著書『自然の経済学』の中で自然のバランスについて「自然の経済とは、創造主が自然物に対して持つ全知全能の気質を理解し、それによって自然物は一般的な目的と相互利用を生み出すように調整されている」と書いている。^[38]この本で、彼は生態学的リサイクルの概念を次のように捉えている。「『相互利用』が全体の考えの鍵である。なぜなら、『あるものの死と破壊は、常に別のものの回復に従属しなければならない』からである」このようにカビは死んだ植物の腐敗を促して土壌を養い、そして大地は「植物から受け取ったものを再びその懐から植物に与える」のです。^[39]しかし、自然のバランスという基本的な考え方は、ギリシャ人のデモクリトス、エピクロス、そして彼らのローマの弟子ルクレティウスにまで遡ることができます。^[40]

ギリシャ人に続いて、水循環（水は栄養素とみなされる）の考え方は、1687年にハレーによって検証され、定量化されました。デュマとブッサンゴー（1844）は、一部の人々に生物地球化学の真の始まりであると認識されている重要な論文を発表し、その中で有機生命の循環について詳細に論じました。^{[40] [41]} 1836年から1876年にかけて、ジャン・バティスト・ブッサンゴーは、植物の成長と発達におけるミネラルと窒素の栄養上の必要性を実証しました。この時期以前は、影響力のある化学者たちは土壌のミネラル栄養素の重要性を軽視していました。^[42] フェルディナント・コーンも影響力のある人物の1人です。 「1872年、コーンは『生命の循環』を、死んだ有機体の分解によって新しい生命に必要な材料が提供される『自然全体の配置』と表現した。生物に形作られる材料の量は限られているため、死体から生物へと同じ物質粒子を絶えず変換する『永遠の循環』（ewigem kreislauf）が存在するはずだと彼は推論した。」^{[43] : 115–116}これらの考えは、1881年から1883年にかけてのセルゲイ・ヴィノグラツキーの修士研究で統合された。^[43]

1926年、ヴェルナツキーは地球化学のサブ分野として生物地球化学という用語を作った。^[40]しかし、栄養循環という用語は、1899年の林業に関するパンフレットで生物地球化学より前に使われていた。「これらの要求は、十分な量の腐植が利用可能であり、落葉が継続的に分解される場合、安定した栄養腐植が存在する場所では、立木のための生物起源の栄養循環からもかなりの量の栄養素が利用可能であるという事実を決して無視するものではない。 ^{」[44] : 12} 1898年には、窒素固定微生物に関連して窒素循環に言及している。^[45]栄養循環のプロセスに関連する用語のその他の用法やバリエーションは、歴史を通じて現れている。

• ミネラルサイクルという用語は、1935 年の初めに、植物生理学におけるミネラルの重要性について言及した論文に登場しています。「…灰は、おそらくその永久構造に蓄積されるか、何らかの形で細胞内に廃棄物として蓄積されるため、ミネラルサイクルに自由に再入することはできない可能性があります。」^{[46] : 301}
• 栄養循環という用語は、1964年にアメリカトキコウの食物生態学に関する論文に登場している。「沼地の定期的な干上がりと再氾濫は、そのコミュニティ内の生物にとって特別な生存問題を引き起こすが、水位の変動は急速な栄養循環とそれに続く高い一次生産と二次生産率を促進する」^{[47] : 97}
• 自然循環という用語は、漁業管理における葉の落ち葉とその化学元素の輸送に関する1968年の論文に登場します。「流域からの樹木落ち葉の河川輸送は、化学元素の自然循環と土地の劣化の要因です。」^{[48] ：131}
• 生態学的リサイクルという用語は、宇宙や海中などの極限環境での生活向けに設計されたさまざまなモジュールの作成に対する生態学の将来の応用に関する1968年の出版物に登場します。「重要な資源をリサイクルするという基本的な要件については、海洋は陸地よりもはるかに頻繁に生態学的リサイクルを提供します。魚やその他の有機個体群は成長率が高く、植物は海での収穫に対する気まぐれな天候の問題が少ないです。」^[49]
• バイオリサイクルという用語は、海洋における有機炭素のリサイクルに関する 1976 年の論文に登場します。「海洋における溶存有機物質の発生源は生物活動によるものであるが、生物の死後の活動や、それに続くバイオリサイクルを妨げる化学変化には影響しないという現実的な仮定に従うと、プレバイオティック海洋とポストバイオティック海洋の間で溶存有機物質の挙動に大きな違いは見られない」^{[50] : 414}

水も栄養素です。^[51]この文脈で、一部の著者は降水リサイクルについても言及しています。これは「ある地域内での蒸発がその同じ地域の降水量に寄与すること」です。[ ^52]栄養素循環のテーマに関するこれらのバリエーションは引き続き使用されており、すべて地球規模の生物地球化学循環の一部であるプロセスに言及しています。ただし、著者は、有機農業や生態学的農業システムで使用されるような自然の働きに関して、自然、有機、生態学的、またはバイオリサイクルに言及する傾向があります。^[24]

地球上のさまざまな空間構成でテクノロジー廃棄物が際限なく蓄積され、土壌、川、海に有害物質を及ぼしています。^{[53] [54]この考えは、1954 年に生態学者}ポール シアーズによって同様に表現されました。「森林を重要な原材料やその他の利益の源として大切にすべきか、それとも占有する空間のために伐採すべきか、私たちはわかりません。川は廃棄物を運び去る静脈と動脈の両方の役割を果たすと期待されていますが、同じ水路で有用な物質を運びます。自然はずっと前に、有毒廃棄物と栄養素を同じ容器で運ぶというナンセンスを捨て去りました。」^{[55] : 960}生態学者は、個体群生態学を使用して、汚染物質を競争者または捕食者としてモデル化します。^[56] レイチェル カーソンは、この分野の生態学の先駆者であり、彼女の著書「沈黙の春」は生物濃縮の研究に刺激を与え、目に見えない汚染物質が地球の食物連鎖に侵入していることを世界に知らせました。^[57]

地球の自然生態系とは対照的に、技術（またはテクノエコシステム）は地球資源への影響を軽減していません。^{[58] [59]}プラスチック廃棄物全体（何百万トンにも上る）のうち、産業システムによってリサイクルされているのはわずか7％です。産業リサイクルの流れに入らない93％は、おそらく自然のリサイクルシステムに吸収されていると思われます。 ^[60]対照的に、長い期間（数十億年）にわたって、生態系は生産量が呼吸 消費量とほぼ等しいという一貫したバランスを維持してきました。自然のバランスの取れたリサイクル効率とは、腐敗した廃棄物の生産量が、分解の連鎖を逃れた化石燃料の世界的在庫に等しい食物連鎖へのリサイクル可能な消費率を超えていることを意味します。^[61]

汚染や廃棄された技術から生態系を流れ循環するマイクロプラスチックやナノ銀物質は、新たな生態学的懸念事項のリストに増え続けています。 ^[63]たとえば、海洋微生物のユニークな集合体が、世界の海に蓄積するプラスチックを分解することがわかっています。^[64]廃棄された技術は土壌に吸収され、テクノソルと呼ばれる新しい種類の土壌を作り出します。^[65]人新世の人間の排泄物は、新しい生態学的リサイクルシステム、つまり生分解チェーンに流れ込む水銀サイクルやその他の合成物質と戦わなければならない新しい生態系を生み出しています。^{[66]微生物は、複雑な生分解経路を持つリサイクルメカニズムによって強化された環境から合成有機化合物を除去する上で重要な役割を果たしています。}ナノ粒子やマイクロプラスチックなどの合成物質が生態学的リサイクルシステムに与える影響は、今世紀の生態系の主要な懸念事項の1つとして挙げられています。^{[63] [67]}

人間の産業システム（またはテクノエコシステム）におけるリサイクルは、規模、複雑さ、組織において生態学的リサイクルとは異なります。産業リサイクルシステムは、廃棄物をさまざまな種類の市場性のある商品にリサイクルするために生態学的食物網を利用することに焦点を当てているのではなく、主に人と技術の多様性を利用しています。一部の研究者は、これらの技術ソリューションやその他の種類の技術的ソリューションの背後にある前提に疑問を呈しています。「エコ効率」の旗印の下でのその機能は限られており、生態学的プロセスに有害であり、誇大宣伝されている機能は危険です。^{[11] [68]}多くのテクノエコシステムは、自然の生態系に対して競争的で寄生的です。 [ ^{61] [69]}食物網または生物学的な「リサイクルには、代謝リサイクル（栄養素の回収、貯蔵など）と生態系リサイクル（水柱、堆積物表面、または堆積物内の浸出と有機物のその場での鉱化）が含まれます。」^{[70] : 243}

• プラスチック汚染

• 土壌水保全協会
• バルト海の生態学的リサイクル農業と社会
• ダイアナ・コーエン：TED.com でのプラスチック汚染に関する厳しい真実
• プラスチック汚染連合
• 農業生態系における栄養循環ジャーナル
• ノバスコシア農業大学の土壌における栄養循環に関する講義ノート